디자인 패턴(Design Pattern) - [구조 패턴]복합체 패턴(Composite Pattern) 자바(Java) 구현

2022. 2. 2. 23:18

의도

부분과 전체의 계층을 표현하기 위해 객체들을 모아 트리 구조로 구성한다. 사용자로 하여금 개별 객체와 복합 객체를 모두 동일하게 다룰 수 있도록 하는 패턴이다.

활용성

부분-전체의 객체 계통을 표현하고 싶을 때

사용자가 객체의 합성으로 생긴 복합 객체와 개개의 객체 사이의 차이를 알지 않고도 자기 일을 할 수 있도록 만들고 싶을 때
- 사용자는 복합 구조(composite structure)의 모든 객체를 똑같이 취급하게 된다.

결과

기본 객체와 복합 객체로 구성된 하나의 일관된 클래스 계통을 정의한다.
- 일반화된 상위 개념의 객체를 조작하는 방식으로 프로그래밍하면, 런타임 기본 객체와 복합 객체를 구분하지 않고 일관되게 프로그래밍 할 수 있다.

사용자의 코드가 단순해진다.
- 사용자 코드는 복합 구조이나 단일 객체와 동일하게 다루는 코드로 작성되기 때문이다. 즉, 사용자는 객체의 특성이 복합 구조인지 단일 구조인지 신경안쓰고 개발할 수 있다. 구분이 필요없어지므로 불필요한 함수를 사용하지 않아도된다.

새로운 종류의 구성요소를 쉽게 추가할 수 있다.
- 복합체의 Composite나 Leaf의 서브클래스들은 기존에 존재하는 구조들과 독립적으로 동작이 가능하다. 새로운 요소가 추가되었다고 해서 사용자의 프로그램이 변경될 필요가 없다.

설계가 지나치게 범용성을 많이 가진다.
- 새로운 요소를 쉽게 추가할 때의 문제는 복합체의 구성요소에 제약을 가하기 힘들다는 점이다.
- 복합체가 오직 한 개의 구성요소만 가졌으면 하는 경우에 Composite 클래스 만으로 타입 시스템을 통해 제약을 가할 수 없다. 런타임에 검사해야 한다.

협력 방법

사용자는 복합 구조 내 객체 간의 상호작용을 위해 Component 클래스 인터페이스를 사용한다.

요청받은 대상이 Leaf 인스턴스이면 자신이 정의한 행동을 직접 수행하고, 대상이 Composite이면 자식 객체들에게 요청을 위임한다. 위임하기 전,후에 다른 처리를 수행할 수도 있다.

구현 고려사항

포함 객체에 대한 명확한 참조자
- 자식 구성요소에서 부모를 가리키는 참조자를 관리하면 복합체 구조의 관리를 단순화할 수 있다.
  - 부모에 대한 참조자는 구조를 거슬러 올라가거나 요소를 하나 삭제하는 과정을 단순화시킨다.
  - 예) 복합 구조가 중첩될 때, 복합 구조의 모든 자식들이 또 다시 부모가 되는데 복합 구조에서 추가나 삭제가 일어날 때 구성요소의 부모가 변경된다. 이 경우 부모를 가리키는 참조자를 이용해서 보다 용이하게 관리할 수 있다.
- 부모 객체에 대한 참조자는 주로 Component 클래스에 둔다. Leaf 클래스와 Composite 클래스는 Component를 상속 받으므로 실제로 두 클래스 모두 이 부모 객체에 대한 참조자를 관리하는 셈이다.

구성요소 공유
- 메모리 저장 공간의 필요량을 줄일 수 있다. 그러나 구성요소가 하나 이상의 부모를 갖는다면 구성요소를 공유하기 어렵다.

Component 인터페이스를 최대화
- 복합체 패턴의 주요 목표 중 하나는 사용자가 어떤 Leaf나 Composite 클래스가 존재하는지 모르도록 하는 것이다. 이런 목표를 달성하려면, Component 클래스는 Composite와 Leaf에 정의된 모든 공통의 영산을 다 정의하고 있어야 한다.
  - Component 클래스는 이들 연산에 대한 기본 구현을 제공하고 Leaf와 Composite 클래스가 이를 재정의한다.
- 문제는 Component 클래스에서는 서브클래스인 Leaf 클래스가 정의하지 않는 연산도 정의할 수 있다.
  - Composite 클래스에만 의미있는 연산도 Component 클래스에 정의해야 한다.
  - 자식들에 접근하는 인터페이스는 Composite에 필수적이지만, Leaf 클래스에는 의미가 없다.
    - 이는 Leaf는 Conponent 클래스의 서브클래스이나 자식을 갖지 않는다고 볼 수 있다. 이러한 점을 이용하여 Conponent 클래스의 자식을 처리하는 연산의 기본 구현 사항으로 아무것도 반환하지 않도록 기본 구현을 만들고 Leaf 클래스는 이 구현을 그대로 사용하고 Composite 클래스는 자식을 반환하도록 재정의하여 해결 할 수도있다.

자식을 관리하는 연산 선언
- 안전성과 투명성 사이의 양자택일 문제가 발생한다.
- 자식을 관리하는 인터페이스를 클래스 계통의 최상위 클래스에 정의
  - 서브클래스 모두에게 동일한 인터페이스가 유지되어 이를 사용하는 사용자에게 인터페이스의 투명성을 부여할 수 있다.
  - 그러나 사용자가 Leaf 클래스의 인스턴스에게 Add()나 Remove() 연산을 호출하는 의미 없는 행동을 하지 않도록 안전성 유지를 위한 비용을 지불해야 한다.
    - Leaf 클래스에서 자식을 관리하는 연산을 호출할 때는 오류 처리되어야 한다.
- 자식을 관리하는 인터페이스를 Composite 클래스에만 자식을 관리하는 연산을 정의
  - Leaf 클래스의 인스턴스에 Add()나 Remove()와 같은 연산을 요청하지 않을 것이므로 안전성은 보장할 수 있다.
  - 그러나 Leaf 클래스와 Composite 클래스가 서로 다른 인터페이스를 갖게 되므로 사용자는 이를 동일한 대상으로 간주하고 사용할 수 없다. 즉 투명성을 부여할 수 없다.
  - 안전성을 선택한 경우, 처리하는 대상 객체가 어떤 클래스에서 만들어진 것인지에 대한 타입 정보를 잃어버릴 수도 있으며 Component를 Composite로 변환해야 할 수도 있다.
    - 타입 안전성 없는 캐스트를 쓰지 않는 방법
      - Component 클래스에 자기 자신을 반환하는 연산 추가한다.
        
        기본 구현으로 null 을 반환하고 Composite 클래스에서는 자기 자신을 반환하도록 재정의한다.
        
        해당 연산이 Composite 클래스를 반환하면 자식을 관리하는 연산(Add, Remove)를 수행할 수 있도록 한다.
      - 안전성을 확보하여도 연산을 처리할 수 있는 대상인지를 일일이 다 검사해야 하는 문제가 있다. 이는 확장성이라는 측면에서 바람직하지 않다.

Component에 Component의 자식을 인스턴스 변수로 관리하는것은 바람직하지 않다.
- Component 클래스에는 자식에 접근하고 관리하는 연산이 정의되어 있다.
- 그러나 인스턴스 변수로 관리하면 자식이 없는 Leaf 클래스에도 자식을 관리하기 위해 메모리를 정의해야하는 문제가 발생한다.

자식 사이의 순서 정하기
- 자식 간의 순서가 의미 있고 문제가 될 때는 자식에게 접근, 관리하는 인터페이스를 설계할 때 자식들의 순서를 관리할 수 있도록 주의를 기울여야한다.
  - 반복자 패턴이 도움을 줄 수 있다.

성능 개선을 위한 캐싱(caching)
- 복합 구조 내부를 수시로 순회하고 탐색해야 한다면, Composite 클래스는 자식을 순회하는 정보를 미리 담고 있을 수도 있다.
  - Composite 클래스가 탐색이나 최단 경로 순회의 실제 결과를 임시로 저장
- 구성요소가 변경되면 부모가 캐싱하는 정보는 의미가 없어진다. 따라서 구성요소가 자신의 부모가 누구인지 아는 상황에서만 의미가 있다.
- 캐싱을 이용하려면, 현재 저장된 캐시의 내용이 유효한지 아닌지를 확인하는 연산을 정의해야 한다.

구성요소 삭제 책임자
- 가비지 컬렉션(garbage collection)의 기능을 제공하지 않는 언어에서는 자식이 없어질 때 Composite 클래스가 보통 삭제의 책임을 진다. 그러나 Leaf 객체가 변경될 수 없는 객체이거나 공유될 수 있는 객체라면 예외적으로 삭제할 수 없다.

구성요소 저장 시 적합한 데이터 구조
- 연결리스트, 배열, 트리, 해시 테이블 등 모두가 구현대상이다.
- 어느 것이 더 효율적인지에 따라서 선택하여 구현한다.
- 일반적인 데이터 구조를 사용하지 않고 각 자식마다 모두 각각의 변수를 정의하여 사용할 수도 있다.
  - Composite를 상속하는 서브클래스 각각에 자신이 정의한 자식 관리 방법에 따라 필요한 구현을 별도로 정의해야 한다.
    - 해석자 패턴이 도움을 줄 수 있다.

구조

전형적인 Composite 객체 구조

실제 구현 구조 - 자식을 관리하는 인터페이스를 클래스 계통의 최상위 클래스에 정의

소스코드 - 자식을 관리하는 인터페이스를 클래스 계통의 최상위 클래스에 정의

//Component
public abstract class Graphic {
    public abstract void draw();
    public Graphic getChild(int i) {
        return null;
    };
    public abstract void add(Graphic graphic);
    public abstract void remove(Graphic graphic);
}

//Leaf
public class Line extends Graphic {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("draw Line");
    }

    @Override
    public void add(Graphic graphic) {
        System.out.println("can't add");
    }

    @Override
    public void remove(Graphic graphic) {
        System.out.println("can't remove");
    }
}

//Leaf
public class Text extends Graphic {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("draw Text");
    }

    @Override
    public void add(Graphic graphic) {
        System.out.println("can't add");
    }

    @Override
    public void remove(Graphic graphic) {
        System.out.println("can't remove");
    }
}

//Leaf
public class Rectangle extends Graphic {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("draw Rectangle");
    }

    @Override
    public void add(Graphic graphic) {
        System.out.println("can't add");
    }

    @Override
    public void remove(Graphic graphic) {
        System.out.println("can't remove");
    }
}

//Composite
public class Picture extends Graphic {
    //복합 구성요소 관리
    private final List<Graphic> graphicList;

    public Picture() {
        graphicList = new ArrayList<>();
    }

    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("composite draw start");
        for (Graphic graphic : this.graphicList) {
            graphic.draw();
        }
        System.out.println("composite draw end");
    }

    @Override
    public Graphic getChild(int i) {
        if(this.graphicList.size() == 0){
            throw new IndexOutOfBoundsException("Composite에서 자식을 삭제하면 자식은 Composite의 부모를 가리키는 참조자에서 삭제된다.");
        }
        return this.graphicList.get(i);
    }

    @Override
    public void add(Graphic graphic) {
        this.graphicList.add(graphic);
    }

    @Override
    public void remove(Graphic graphic) {
        System.out.println("remove " + this.graphicList.remove(graphic));
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Graphic line = new Line();
        Graphic text = new Text();
        Graphic rectangle = new Rectangle();
        Graphic parentPicture = new Picture();
        Graphic childPicture = new Picture();

        /* Leaf 클래스는 자식과 관련된 연산 미동작 */
        line.draw();
        line.add(text);
        System.out.println(line.getChild(0));
        line.remove(text);
        System.out.println("-----------------------");
        text.draw();
        text.add(line);
        System.out.println(text.getChild(0));
        text.remove(line);
        System.out.println("-----------------------");
        rectangle.draw();
        rectangle.add(text);
        System.out.println(rectangle.getChild(0));
        rectangle.remove(text);
        System.out.println("-----------------------");
        /* //Leaf 클래스는 자식과 관련된 연산 미동작 */

        /* 복합 구성요소는 자식과 관련된 연산 동작 */
        childPicture.add(line);
        childPicture.add(text);
        childPicture.add(rectangle);
        childPicture.draw();
        childPicture.remove(line);
        System.out.println(childPicture.getChild(0));
        childPicture.draw();
        System.out.println("-----------------------");
        parentPicture.add(new Text());
        parentPicture.add(new Text());
        parentPicture.add(new Text());
        parentPicture.add(childPicture);
        parentPicture.add(new Rectangle());
        parentPicture.draw();
        System.out.println("-----------------------");
        System.out.println(parentPicture.getChild(0));
        System.out.println(parentPicture.getChild(1));
        System.out.println(parentPicture.getChild(2));
        parentPicture.remove(parentPicture.getChild(0));
        System.out.println("-----------------------");
        parentPicture.draw();
        System.out.println("-----------------------");
        System.out.println(parentPicture.getChild(0));
        System.out.println(parentPicture.getChild(1));
        System.out.println(parentPicture.getChild(2));
        /* //복합 구성요소는 자식과 관련된 연산 동작 */
    }
}

결과

draw Line
can't add
null
can't remove
-----------------------
draw Text
can't add
null
can't remove
-----------------------
draw Rectangle
can't add
null
can't remove
-----------------------
composite draw start
draw Line
draw Text
draw Rectangle
composite draw end
remove true
composite.Text@3d24753a
composite draw start
draw Text
draw Rectangle
composite draw end
-----------------------
composite draw start
draw Text
draw Text
draw Text
composite draw start
draw Text
draw Rectangle
composite draw end
draw Rectangle
composite draw end
-----------------------
composite.Text@59a6e353
composite.Text@7a0ac6e3
composite.Text@71be98f5
remove true
-----------------------
composite draw start
draw Text
draw Text
composite draw start
draw Text
draw Rectangle
composite draw end
draw Rectangle
composite draw end
-----------------------
composite.Text@7a0ac6e3
composite.Text@71be98f5
composite.Picture@6fadae5d

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